Estudio de la influencia de la configuración estructural de piso blando en el comportamiento sismorresistente de estructuras aporticadas

(1)

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

“ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA CONFIGURACIÓN

ESTRUCTURAL DE PISO BLANDO EN EL COMPORTAMIENTO

SISMORRESISTENTE DE ESTRUCTURAS APORTICADAS”

TESIS

PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE MAESTRO EN

CIENCIAS CON MENCIÓN EN INGENIERÍA ESTRUCTURAL

ELABORADO POR

JORGE JANAMPA OCHOA

ASESOR

Dr. JAVIER PIQUÉ DEL POZO

LIMA-PERÚ

(2)

SISMORRESISTENTE DE ESTRUCTURAS APORTICADAS”

JORGE JANAMPA OCHOA

Presentado a la Unidad de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Civil en cumplimiento parcial de los requerimientos para el grado de:

MAESTRO EN CIENCIAS CON MENCIÓN EN INGENIERÍA ESTRUCTURAL DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

2016

Autor : Ing. Jorge Janampa Ochoa

Recomendado : Dr. Ing. Javier Piqué del Pozo Asesor de la Tesis

Aceptado por : Dr. Ing. Victor Sánchez Moya Director de la Unidad de Posgrado

(3)

i

RESUMEN

En sismos pasados en el Perú y el mundo se ha observado que la irregularidad de piso blando en estructuras de edificios representa una grave amenaza para su integridad y estabilidad. Prevenir el colapso para preservar la vida de los ocupantes de una estructura es uno de los objetivos en todas las normas de diseño modernas. Por ello conocer a partir de que

alturas existe esta irregularidad constituye un dato crítico para determinar la posibilidad de

colapso por piso blando. Este dato es importante tanto para el diseño de nuevas estructuras

como para la evaluación y rehabilitación de estructuras existentes.

El objetivo de este trabajo es mejorar la comprensión del comportamiento sísmico de edificios

que presentan irregularidad de piso blando mediante análisis dinámicos lineales y no lineales

estáticos (pushover). Se han revisado varios códigos para precisar cómo se define la irregularidad piso blando y se presenta un resumen de la especificaciones de estos códigos. Se han analizado edificios aporticados de tres, cinco, nueve y quince pisos, con dos vanos en

ambas direcciones. La luz de los vanos es de cinco metros, la altura típica es de tres metros y

la del primer piso varía desde tres hasta nueve metros. Los mismos han sido previamente

diseñados según las normas del Reglamento Nacional de Edificaciones del Perú. Con fines de

comparación, se desarrolla un modelo patrón de tipología regular, tanto en planta como en

elevación, y los casos que representan las estructuras irregulares se definen mediante la

modificación de la distribución vertical de la rigidez, incrementando la altura del primer piso

del modelo patrón hasta identificar los elementos estructurales más débiles que fallen primero.

El objetivo es encontrar el límite de la irregularidad que garantice la estabilidad de la

estructura evitando el colapso. De esta manera se asegura que la estructura llegue a formar un

mecanismo de colapso escogido durante la etapa de diseño (vigas débiles y columnas fuertes).

El procedimiento seguido consiste en (a) creación de modelos analíticos de edificios diseñados

conforme a la norma peruana, (b) definición de los modelos para el comportamiento inelástico

de los elementos que experimentan comportamiento no lineal, (c) análisis de desempeño no

(4)

ii Evaluando los límites de la distorsión de entrepiso para los diferentes niveles de desempeño

(Visión 2000). En todos los edificios estudiados, para la altura del primer piso que varía de

tres hasta menos de siete metros la distorsión está comprendida entre el nivel de desempeño de

ocupación inmediata (IO) y seguridad de vida (LS). Para la altura del primer piso que varía de

siete hasta nueve metros la distorsión está comprendida entre el nivel de desempeño de

seguridad de vida (LS) y prevención del colapso (CP). Por consiguiente se puede concluir que

la altura máxima en un entrepiso de un edificio aporticado para que no se produzca piso

blando y que se considere un desempeño aceptable, debe ser menor de siete metros. Esto

quiere decir una relación de altura (altura típica / altura del primer piso) hasta 42%, es un

límite aceptable. Este es mucho menor que el porcentaje que declara la irregularidad debido al

piso blando en la norma peruana E.030-2003 (75%) y E.030-2016 (60%), lo que implica que

(5)

iii

ABSTRACT

In past earthquakes in Peru and worldwide it has been observed that soft story irregularity in

building structures represents a serious hazard for its integrity and stability. To prevent

collapse to preserve lives is an objective in all standards of modern design. Therefore to know

from which story height ratio this irregularity becomes critical is significant to determine the

possibility of collapse due to soft story. This is important for both design of new structures and

for assessment and rehabilitation of existing structures. The objective of this work is to

improve understanding of the seismic performance of buildings having soft story irregularity

using linear and nonlinear static analysis (pushover). Several codes were reviewed to learn

how this irregularity is detected and a summary of these specifications is presented.

Framed buildings of three, five, nine and fifteen stories, with two spans in both directions were

analyzed. The span of the bays is five meters; typical story height is three meters and the first

floor height varies from three to seven meters. They were previously designed according to the

Peruvian Building Regulations. For comparison, a regular pattern structure, both in plan and

elevation was developed. Cases representing irregular structures were defined by modifying

the vertical distribution of stiffness, increasing the height of the first floor to identify the

weakest structural elements that fail first. The goal was to find the limit of the irregularity to

ensure the stability of the structure and prevent collapse. Thus it is ensured that the structure

reaches a collapse mechanism chosen during the design stage (weak beams strong columns).

The procedure followed was (a) define analytical models of buildings designed with Peruvian

standards, (b) compute parameters of models for inelastic behavior of elements experiencing

nonlinear behavior, (c) analyze nonlinear performance in these models (pushover), and finally,

(d) evaluate the results obtained from these nonlinear analysis methods. With this information,

the behavior of soft story was investigated and factors, causes and results from this irregularity

are explained in detail.

Evaluating the limits of interstory drift for different levels of performance (Vision 2000). In all buildings studied in which the height of the first floor varies from three to less than seven

(6)

iv

Safety (LS). When the height of the first floor varies from seven to nine meters, the distortion

lies between the level of performance of Life Safety (LS) and Collapse prevention (CP).

Therefore it can be concluded that the maximum first story height of a frame building, for it

not to present soft story and considered acceptable perfomance, should be less than seven

meters. This means a height ratio (typical height / first floor height) up to 42%, is an

acceptable limit. This is much lower than percentage to declare irregularity due to soft story in

the Peruvian Standard E.030-2003 (75%) and E.030-2016 (60%), which implies that the

(7)

v

Dedico esta tesis a mis padres: Jorge y Eutropia, en agradecimiento

a su sacrificio invalorable y apoyo en mi realización personal.

A mis hermanos: Gorky, Marilia, Rocío y Johana quienes son un

apoyo moral, en cada inconveniente que transcurre en mi vida.

(8)

vi

AGRADECIMIENTO

En primer lugar, agradezco a Dios por haberme permitido culminar satisfactoriamente los

estudios de la maestría en esta universidad. Asimismo, agradezco a mis padres Jorge Janampa

y Eutropia Ochoa, por todo el apoyo moral y material que me dieron durante mis estudios, por

todo lo que hicieron y aún siguen haciendo por mí. Asimismo, agradezco a mis hermanos

Gorky, Marilia, Rocio y Johana por todo el apoyo incondicional que siempre me han brindado.

Tuve el privilegio y la buena fortuna de elaborar la presente tesis bajo la supervisión y

asesoramiento del Dr. Javier Piqué del Pozo, mis más sinceros agradecimientos a su persona

por haberme brindado parte de su tiempo y por las constructivas orientaciones durante todo el

tiempo en que se desarrolló.

Mis agradecimientos a los profesores de la Sección de Post-Grado de la Facultad de Ingeniería

Civil, quienes con esmero y mucha dedicación nos dieron lo mejor de sí.

Finalmente mis agradecimientos a la Facultad de Ingeniería Civil Sección de Post-Grado, por

recibirme en sus aulas y brindarme los conocimientos en todo este tiempo; a mi amigo de la

maestría; a Sebastián por la bibliografía brindada; y al personal administrativo por todo el

(9)

vii

TABLA DE CONTENIDOS

RESUMEN………..………i

ABSTRACT………..iii

AGRADECIMIENTOS……….v

TABLA DE CONTENIDOS………vii

LISTA DE FIGURAS………...xi

LISTA DE TABLAS………...xxi

CAPÍTULO I: ANTECEDENTES……….…1

1.1) Antecedentes………1

1.2) Planteamiento del problema……….3

1.3) Justificación……….4

1.4) Hipótesis………..5

1.5) Objetivos………..5

1.5.1) Objetivos generales………...5

1.5.2) Objetivos específicos………5

1.6) Metodología……….6

1.7) Estado del arte………..7

1.8) Organización de la tesis………..10

CAPÍTULO II: COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE LAS ESTRUCTURAS………...11

2.1) Configuración estructural………12

2.1.1) Problemas de configuración estructural………..14

2.1.2) Tipos de irregularidad………..15

2.2) Características estructurales que influyen en el comportamiento sísmico………...17

CAPÍTULO III: IRREGULARIDAD DE RIGIDEZ - PISO BLANDO………..21

(10)

viii

3.2) Irregularidad de rigidez – piso blando………22

3.2.1) Discontinuidad de rigidez en elevación………..24

3.2.2) Daños por piso blando……….28

3.2.3) Algunas soluciones de piso blando……….33

3.3) Irregularidad de rigidez-piso blando según SEAOC………35

3.4) Irregularidad de rigidez – piso blando según norma E.030-2003………...36

3.5) Comparación de irregularidad de rigidez-piso blando según normas de diversos países...41

CAPÍTULO IV: DESCRIPCIÓN DE LOS EDIFICIOS POR ANALIZAR Y ANÁLISIS DINÁMICO…46 4.1) Descripción general de los edificios………46

4.1.1) Notación de los casos regulares e irregulares………..47

4.1.2) Características de los modelos estructurales………47

4.2) Análisis lineal de la edificación aplicando la norma E.030 diseño sismorresistente……..53

4.3) Diseño por resistencia (Norma E.060)……….63

4.4) Resultado de los análisis lineales………76

4.4.1) Cálculo de la rigidez lateral de piso…..………..81

4.5) Discusión de resultados………..86

CAPÍTULO V: ANÁLISIS NO LINEAL ESTÁTICO PUSHOVER……….90

5.1) Ensayos experimentales ante cargas laterales………90

5.2) Modelos de comportamiento para el concreto armado………91

5.2.1) Modelo esfuerzo-deformación para el acero………92

5.2.2) Modelo esfuerzo-deformación para el concreto………..95

5.2.2.1) Modelo para concreto confinado………...97

5.2.2.2) Modelo para concreto no confinado………..106

5.3) Relación momento-curvatura………108

5.3.1) Curvas teóricas momento – curvatura para secciones con concreto confinado……109

5.3.1.1) Curvatura de un elemento a flexión………110

(11)

ix

5.3.1.3) Idealización bilineal del diagrama momento-curvatura según Restrepo………114

5.3.2) Deformaciones máximas idealizadas calculadas a partir de las curvaturas………..120

5.4) Rótulas plásticas………122

5.4.1) Influencia del concreto y del acero en la capacidad de la rótula plástica………….123

5.4.2) Análisis de rótula plástica en columnas………124

5.4.3) Zona de posibles rótulas plásticas………125

5.4.4) Longitud de rótula plástica………....128

5.5) Mecanismo de falla………...129

5.5.1) Tipos de mecanismo de falla……….130

5.6)Análisis no lineal estático incremental pushover……….133

5.6.1) Limitaciones de la técnica del pushover………134

5.6.2) Patrón de cargas laterales………..134

5.6.3) Curva de capacidad………...136

5.6.3.1) Representación bilineal de la curva de capacidad……….138

5.6.4) Espectro de capacidad………..140

5.6.5) Espectro de demanda………142

5.6.6) Punto de desempeño……….145

5.6.6.1) Verificación de desempeño………146

5.6.6.2) Límites de los niveles de desempeño……….147

CAPÍTULO VI: RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS NO LINEALES Y LÍMITES PARA LA IRREGULARIDAD DE PISO BLANDO………149

6.1.-Aplicación de análisis no lineal……….149

6.1.1) Análisis no lineal estático (Pushover)………149

6.1.2) Modelos de comportamiento para materiales………150

6.1.3) Análisis de la relación momento M - curvatura ϕ….………156

6.1.4) Definición de los puntos de plastificación……….168

6.1.5) Diagrama de interacción para el análisis no lineal……….169

6.1.6) Longitud de rótula plástica……….170

(12)

x

6.1.8) Resultados del análisis del desplazamiento incremental………171

6.1.8.1) Mecanismo de progresión de rótulas y colapso………..171

6.1.8.2) Curva de capacidad y su representación bilineal……….181

6.1.8.3) Espectro de capacidad……….185

6.1.8.4) Espectro de demanda y punto de desempeño………..186

6.1.8.5) Evaluación de la demanda global del punto de desempeño……….189

6.2) Discusión de resultados……….208

CAPÍTULO VII: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………216

7.1) Conclusiones………...216

7.2) Recomendaciones………220

(13)

xi

LISTA DE FIGURAS

CAPÍTULO I ANTECEDENTES

Figura 1.1 Edificio con piso blando………3

Figura 1.2 Ejemplos de irregularidades verticales rigidez – resistencia……….…………9

CAPÍTULO II COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE LAS ESTRUCTURAS Figura 2.1 Mala calidad de materiales, sismo Turquía 1999………11

Figura 2.2 Componentes estructurales y no estructurales……….12

Figura 2.3 Factores que influyen en la configuración Estructural………14

Figura 2.4 Formas simples y complejas en planta y elevación ………..………..15

Figura 2.5 Terremoto de Managua, Nicaragua 1972………18

Figura 2.6 Planta del Banco América, tuvo buen comportamiento………..18

Figura 2.7 Planta del Banco Central, sufrió graves daños………18

Figura 2.8 Columnas con comportamientos dúctil (izquierda) y frágil (derecha), en un pabellón del Hospital Olive View, terremoto de San Fernando – California 1971……….19

CAPÍTULO III IRREGULARIDAD DE RIGIDEZ - PISO BLANDO Figura 3.1 Definición de la rigidez estructural inicial y secante………..21

Figura 3.2 Piso blando en la primera planta……….23

Figura 3.3 Comparación de mecanismos de disipasión de energía. (a) Recomendable y (b) No recomendable - Piso blando………23

Figura 3.4 Distribución del desplazamiento total generado por un sismo en: (a) Un edificio regular; y (b) un edificio con irregularidad piso blando………24

Figura 3.5 Interrupción de elementos muy rígidos………...25

Figura 3.6 Reducción brusca de tamaño de columnas………..25

Figura 3.7 Diferencia drástica de altura de columnas………...26

Figura 3.8 Planta baja flexible………..26

Figura 3.9 Esquema de edificio moderno con planta base de gran altura; la entrada

(14)

xii

de desconexión parcial o total entre componentes estructurales………...27

Figura 3.10 Cambio de posición de elementos rígidos……….27

Figura 3.11 Discontinuidad de elementos estructurales verticales………...28

Figura 3.12 Tres ejemplos de daños severos atribuidos a los efectos de piso blando y

piso débil………...29

Figura 3.13 Daño sísmico en una configuración con piso blando en el primer nivel en

diversos países………..29

Figura 3.14 Piso blando causado por la falla de tabiques……….30

Figura 3.15 Estructura del hotel Embassy falla por piso blando en sismo de Pisco 2007,

Perú………...30

Figura 3.16 Daños severos por piso blando en sismo de Pisco 2007-Perú………...31

Figura 3.17 Daños severos causados por falta de juntas de separación y piso blando en

sismo de Pisco 2007-Perú……….31

Figura 3.18 Colapso de pisos intermedios debido a cambio brusco de rigidez, como

consecuencia de la formación de un mecanismo de colapso, terremoto de

Kobe, Japón………....32

Figura 3.19 Las configuraciones uniformes poseen mejor comportamiento………33

Figura 3.20 Algunas soluciones al agregar elementos estructurales para eliminar el

problema de planta baja libre, piso blando………...33

Figura 3.21 Solución al igualar las rigidices de las columnas o aumentando las

dimensiones de los elementos menos rígidos………...34

Figura 3.22 Reforzamiento de las plantas con piso blando; a la izquierda, edificio en San Francisco (foto: V. Bertero); a la derecha, antiguo edificio Alcoa, en San

Francisco……….………..34

Figura 3.23 Estructura con piso blando (izquierda), Vista de aislador en piso blando

(derecha)………35

Figura 3.24 Piso blando según norma peruana E.030-2003, ejemplo de una estructura

de cinco pisos……….37

Figura 3.25 Variando ΣA1 del primer piso y el resto de los piso se mantienen iguales,

(15)

xiii Verificación de Irregularidad de rigidez-piso blando según norma E.030-2003...39 Figura 3.27 Variando la altura del primer piso hd y, todas las hi y ΣAi se mantienen iguales

Verificación de Irregularidad de rigidez-piso blando según norma E.030-2003...40 Figura 3.28 Irregularidad vertical piso blando según normas de diversos países……….42 Figura 3.29 Comparativo de irregularidad de rigidez por piso blando según normas

de diversos países………..45

CAPÍTULO IV DESCRIPCIÓN DE LOS EDIFICIOS POR ANALIZAR Y

ANÁLISIS DINÁMICO

Figura 4.1 Edificación con un sistema aporticado típico………..46

Figura 4.2 Modelos de tres, cinco, nueve y quince pisos (Vista y ejes en planta).…………...49

Figura 4.3 Modelos patrón de tres, cinco, nueve y quince pisos, Vista en elevación y

dimensiones de vigas-columnas………..50

Figura 4.4 Modelo patrón de tres, cinco, nueve y quince pisos, Vista en 3D………...51

Figura 4.5 Modelos para el análisis de tres, cinco y nueve pisos, Vista

en elevación y dimensiones de vigas-columnas………..52

Figura 4.6 Modelos para el análisis de quince pisos, Vista en elevación y dimensiones

de vigas-columnas………..………..53

Figura 4.7 Ejes locales de las secciones de vigas y columnas………..55

Figura 4.8 Espectro de Pseudo-aceleraciones empleado para el análisis dinámico…………..58

Figura 4.9 Formas de modo del edificio de cinco pisos: Modelo K5-1-3………58

Figura 4.10 Peso total de la edificación por niveles para el edificio de cinco pisos,

modelo K5-1-3………..61

Figura 4.11 Deformaciones y esfuerzos en una sección rectangular con falla balanceada…..64

Figura 4.12 Momentos de diseño en una viga según la norma E.060 y el ACI 318-14……...65

Figura 4.13 Fuerza cortante de diseño en vigas………66

Figura 4.14 Cortante de diseño en una viga típico según la norma E.060………68 Figura 4.15 Diagrama de interacción (M-P) de la columna 40x40 cm (=1.21%), edificio

de cinco pisos: Modelo K5-1-3………...………..70

Figura 4.16 Resistencia a flexión de las columnas en las caras de los nudos………...71

(16)

xiv

Figura 4.18 Detalles de vigas y columnas de los edificios patrón de tres, cinco, nueve y

quince pisos………76

Figura 4.19 Desplazamiento lateral y distorsión del edificio de tres pisos:

Modelo K3-1-Z...77

Figura 4.20 Desplazamiento lateral y distorsión del edificio de cinco pisos:

Modelo K5-1-Z………...78

Figura 4.21 Desplazamiento lateral y distorsión del edificio de nueve pisos:

Modelo K9-1-Z...79

Figura 4.22 Desplazamiento lateral y distorsión del edificio de quince pisos:

Modelo K15-1-Z...80

Figura 4.23 Comparativo de rigidez lateral de piso de los edificios de tres y cinco pisos…...81

Figura 4.24 Comparativo de rigidez lateral de piso de los edificios de nueve y quince

pisos………..82

Figura 4.25 Comparativo de rigidez lateral de piso análisis dinámico de los edificios de

tres y cinco pisos……….………..83

Figura 4.26 Comparativo de rigidez lateral de piso análisis dinámico de los edificios de

nueve y quince pisos………….………..………..84

CAPÍTULO V ANÁLISIS NO LINEAL ESTÁTICO PUSHOVER

Figura 5.1 Ensayo monotónico y curva de capacidad………...90

Figura 5.2 Ensayo cíclico………..91

Figura 5.3 Curva de capacidad de un ensayo cíclico típico, Pórtico concreto armado..……...91

Figura 5.4 Falla producida por la insuficiente ductilidad del acero longitudinal de la

Columna………..92

Figura 5.5 Curva esfuerzo-deformación idealizado para el acero…………..………..93

Figura 5.6 Curvas típicos esfuerzo deformacion para cilindros de concreto cargados

en compresión uniaxial para distintas calidades de concreto………...96

Figura 5.7 Secciones típicas de vigas y columnas con zonas confinadas y no confinadas…...96

Figura 5.8 Confinamiento de secciones de columnas mediante refuerzo longitudinal

y transversal………....97

(17)

xv

rectangulares - Modelo propuesto por Kent y Park (1971)………..99

Figura 5.10 Comparación del modelo esfuerzo-deformación para un concreto no confinado y uno confinado (Mander et al., 1988)………..101

Figura 5.11 Núcleo efectivo de concreto confinado y el mecanismo de arco en columna de sección rectangular……….103

Figura 5.12 Diagrama para la determinación de la resistencia a compresión para concreto confinado por esfuerzos de confinamiento lateral para secciones rectangulares………105

Figura 5.13 Curva del modelo no confinado de Mander………107

Figura 5.14 Relaciones momento–curvatura para secciones de vigas simplemente reforzadas (a) Sección que falla a tracción, ρ < ρb. (b) Sección que falla a compresión, ρ > ρb……….…109

Figura 5.15 Deformación de un elemento a flexión………..……….111

Figura 5.16 Diagramas momento – curvatura aproximados………...113

Figura 5.17 Ubicación de los límites de desempeño del concreto y acero longitudinal en el diagrama momento – curvatura según Restrepo……….………115

Figura 5.18 Diagrama momento – curvatura y aproximación bilineal según Restrepo……..119

Figura 5.19 Idealización y puntos notables del diagrama momento-curvatura para introducir en el SAP 2000………...120

Figura 5.20 Distribución de curvatura a lo largo de una viga bajo momento último….……121

Figura 5.21 Relación momento flector-curvatura (rótula plástica)……….122

Figura 5.22 Análisis de columna con curvatura y deflexión………..124

Figura 5.23 Patrón de rótulas plásticas de vigas……….126

Figura 5.24 Idealización de daño en vigas………..126

Figura 5.25 Concentración de rótulas plásticas en los extremos de una columna…………..127

Figura 5.26 Idealización de daño equivalente……….127

Figura 5.27 Zona plástica de un elemento………..129

Figura 5.28 Mecanismo de falla de un entrepiso por columnas débiles-vigas fuertes……...130

Figura 5.29 Mecanismos de colapso en edificios aporticados de varios pisos………...132

(18)

xvi

Figura 5.31 Distribución de carga lateral (uniforme, triangular y modal) utilizadas en el

análisis pushover por control de cargas………..136

Figura 5.32 Representación de la curva de capacidad………137

Figura 5.33 Cargas de servicio (muerta y viva) en la edificación………..137

Figura 5.34 Representación bilineal de la curva de capacidad………...139

Figura 5.35 Espectro de capacidad……….141

Figura 5.36 Espectro elástico de aceleración de la norma E.030………...142

Figura 5.37 Espectro de respuesta en formato tradicional y en formato ADRS (Transformación del espectro de respuesta elástico en espectro de demanda elástico)……….143

Figura 5.38 Espectro de diseño elástico Newmark-Hall……….145

Figura 5.39 Punto de desempeño………145

CAPÍTULO VI RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS NO LINEALES Y LÍMITES PARA LA IRREGULARIDAD DE PISO BLANDO Figura 6.1 Detalle de viga y columna típica del edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3…152 Figura 6.2 Diagrama esfuerzo – deformación del concreto confinado y no confinado Viga 25x60, modelo Kent y Park (1971), edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3….152 Figura 6.3 Diagrama esfuerzo – deformación del concreto confinado y no confinado columna C50x50, modelo Kent y Park (1971), edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3………..153

Figura 6.4 Diagrama esfuerzo – deformación del concreto confinado y no confinado Viga 25x60, modelo de Mander, edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3……...153

Figura 6.5 Diagrama esfuerzo – deformación del concreto confinado y no confinado columna C50x50, modelo de Mander, edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3..154

Figura 6.6 Comparación de los modelos esfuerzo-deformación para un concreto confinado viga 25x60, edificio de nueve pisos (Modelos Kent y Park, 1971 - Park et al. 1982 - Mander, 1988)………155

Figura 6.7 Comparación de los modelos esfuerzo-deformación para un concreto confinado columna 50x50, edificio de nueve pisos (Modelos Kent y Park, 1971 - Park et al. 1982 - Mander, 1988)………...155

(19)

xvii

y sus caracteristicas geometricas para el calculo de momento curvatura con el

Sap2000……….157

Figura 6.9 Relación momento curvatura y estados límites de deformación edificio de

nueve pisos: Modelo K9-1-3 (Viga 25x60)………...158

Figura 6.10 Seccion transversal de columna 50x50, edificio de nueve pisos Modelo

K9-1-3 y sus caracteristicas geometricas para el calculo de momento

curvatura con el Sap2000………159

Figura 6.11 Relación momento-curvatura y estados límites de deformación, columna

esquinera 50x50, edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3………162

Figura 6.12 Idealizacion bilineal de la relación momento M – curvatura ϕ de columna

50x50, edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3………163

Figura 6.13 Ubicación de los puntos del nivel de desempeño sobre la curva idealizada

de la relación momento M - curvatura ϕ, columna 50x50, edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3……….164

Figura 6.14 Diagrama momento curvatura de columna 50x50 en esquina y su

representación bilineal, del edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3………….165

Figura 6.15 Diagrama momento curvatura de viga 25x60 y su representación bilineal,

del edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3………...165

Figura 6.16 Diagrama momento curvatura bilineal idealizado para la columna esquinera

50x50, edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3………..167

Figura 6.17 Diagrama momento curvatura bilineal generalizado para la columna

esquinera 50x50, edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3……….168

Figura 6.18 Diagrama momento-curvatura típico viga/columna)……….………..169

Figura 6.19 Relación momento-carga axial de la columna 50x50 con diferentes ángulos,

edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3……….169

Figura 6.20 Secuencia de formación de rótulas plásticas, edificio de tres pisos:

Modelo K3-1-3………173

Modelo K3-1-5………174

(20)

xviii

Figura 6.23 Secuencia de formación de rótulas plásticas, edificio de cinco pisos:

Modelo K5-1-3………176

Modelo K5-1-5………176

Modelo K5-1-7……….176

Figura 6.26 Secuencia de formación de rótulas plásticas, edificio de nueve pisos:

Modelo K9-1-3……….178

Modelo K9-1-5………..178

Modelo K9-1-7……….178

Figura 6.29 Secuencia de formación de rótulas plásticas, edificio de quince pisos:

Modelo K15-1-3………180

Modelo K15-1-5………180

Modelo K15-1-7………181

Figura 6.32 Comparativo de curva de capacidad variando la altura en el primer piso en

la dirección X-X, edificio de tres pisos………181

la dirección X-X, edificio de cinco pisos……….182

Figura 6.34 Comparativo de curva de capacidad variando la altura en el primer piso en la

dirección X-X, edificio de nueve pisos……….182

la dirección X-X, edificio de quince pisos………..182

Figura 6.36 Curva de capacidad y su representación bilineal en la dirección X-X

edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3………..185

Figura 6.37 Espectro de capacidad en la dirección X-X – Edificio de nueve pisos:

Modelo K9-1-3………....186

(21)

xix

ADRS, edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3………187

Figura 6.39 Punto de desempeño en la dirección X-X en formato ADRS, edificio de

nueve pisos: Modelo K9-1-3………...188

Figura 6.40 Evaluación de la distorsión del punto de desempeño en la dirección X-X,

Figura 6.41 Determinación del nivel de desempeño en la dirección X-X, edificio de

tres pisos: Modelo K3-1-Z………..191

Figura 6.42 Comparativo del punto de desempeño en la dirección X-X, edificio de

tres: Modelos K3-1-Z, para diferentes alturas del primer piso………...192

cinco pisos: Modelo K5-1-Z………...194

cinco pisos: Modelos K5-1-Z, para diferentes alturas del primer piso……...196

nueve pisos: Modelo K9-1-Z.………...199

nueve pisos: Modelos K9-1-Z, para diferentes alturas del primer piso………..200

quince pisos: Modelo K15-1-Z………...203

quince pisos: Modelos K15-1-Z, para diferentes alturas del primer piso...…....205

Figura 6.49 Comparativo de distorsión del punto de desempeño de los edificios de

tres, cinco, nueve y quince pisos para una altura de tres metros en el primer

piso, nivel de desempeño: Seguridad de vida LS………206

tres, cinco, nueve y quince pisos para una altura de cinco metros en el

primer piso, nivel de desempeño: Seguridad de vida LS………207

tres, cinco, nueve y quince pisos para una altura de siete metros en el

primer piso, nivel de desempeño: Prevención del Colapso CP…………..…….207

(22)

xx

tres, cinco, nueve y quince pisos para una altura de nueve metros en el

primer piso, nivel de desempeño: Prevención del colapso CP………208

Figura 6.53 Comparativo de ductilidad por desplazamiento de los edificios de tres,

(23)

xxi

LISTA DE TABLAS

CAPÍTULO III IRREGULARIDAD DE RIGIDEZ - PISO BLANDO

Tabla 3.1 Descripción de irregularidad de rigidez por piso blando, comparativo según

normas de diversos países………...…...43

Tabla 3.2 Condiciones de irregularidad de rigidez por piso blando, comparativo según

normas de diversos países……….44

CAPÍTULO IV DESCRIPCIÓN DE LOS EDIFICIOS POR ANALIZAR Y

ANÁLISIS DINÁMICO

Tabla 4.1 Edificios analizados con sus respectivos modelos para el análisis lineal………….48

Tabla 4.2 Edificios analizados con sus respectivos modelos para el análisis no lineal………49

Tabla 4.3 Carga muerta considerada para el análisis………...54

Tabla 4.4 Carga viva considerada para el análisis………...55

Tabla 4.5 Parámetros sísmicos considerados en la obtención de cargas sísmicas…………....56

Tabla 4.6 Periodos, Modos de vibración y porcentaje de participación considerando 3

grados de libertad por nivel, edificio de cinco pisos: Modelo K5-1-3………..58

Tabla 4.7 Metrado de carga del edificio de cinco pisos: Modelo K5-1-3……….60

Tabla 4.8 Pesos y masas por niveles utilizados en el modelo sísmico del edificio de

cinco pisos: Modelo K5-1-3……….………..61

Tabla 4.9 Verificación de la cortante en la base del edificio de cinco pisos: Modelo

K5-1-3………...62

Tabla 4.10 Verificación por distorsión o deriva del edificio de cinco pisos:

Modelo K5-1-3...63

Tabla 4.11 Cargas de las combinaciones, columna esquinera del edificio de cinco pisos:

Modelo K5-1-3………...…….71

Tabla 4.12 Verificación de columna fuerte – Viga débil de la columna Col40x40 cm

edificio de cinco pisos: Modelo K5-1-3……….72

Tabla 4.13 Calculo del espaciamiento del refuerzo transversal debido a la cortante,

edificio de cinco pisos: Modelo K5-1-3………..74

(24)

xxii

rigidez en comparación a la rigidez lateral de la estructura patrón, realizado

por el análisis dinámico…………...………85

Tabla 4.15 Verificación de irregularidad de rigidez por piso blando (Ki/Ki+1) según

norma de diversos países……….86

Tabla 4.16 Resumen de la verificación de distorsión del primer piso de los edificios

analizados linealmente de acuerdo con la norma E.030……….87

Tabla 4.17 Verificación de la irregularidad de rigidez - piso blando de los edificios

analizados linealmente de acuerdo con la norma E.030-2016, (primer caso

de condición de irregularidad)………...88

Tabla 4.18 Verificación de la irregularidad de rigidez - piso blando de los edificios

analizados linealmente de acuerdo con la norma E.030-2016 (segundo caso

de condición de irregularidad) ………89

CAPÍTULO V ANÁLISIS NO LINEAL ESTATICO PUSHOVER

Tabla 5.1 Parametros del concreto no confinado, Modelo Kent-Park………106

Tabla 5.2 Límites de la distorsión de entrepiso para los diferentes niveles de desempeño…147

Tabla 5.3 Matriz de comportamiento del nivel de desempeño………...148

CAPÍTULO VI RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS NO LINEALES Y LÍMITES

PARA LA IRREGULARIDAD DE PISO BLANDO

Tabla 6.1 Parámetros de confinamiento para un concreto confinado viga 25x60, edificio

de nueve pisos: Modelo K9-1-3………..156

Tabla 6.2 Parámetros de confinamiento para un concreto confinado columna 50x50,

Tabla 6.3 Muestra los valores de carga axial empleados para las columnas según su

ubicación en los diferentes niveles, edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3……159

Tabla 6.4 Cargas axiales para diferentes combinaciones de carga, edificio de nueve

pisos: Modelo K9-1-3………159

Tabla 6.5 Límites de desempeño del concreto y del acero de refuerzo, columna

esquinera 50x50, edificio de nueve pisos, K9-1-3……….161

(25)

xxiii

Modelo K9-1-3………163

Tabla 6.7 Matriz de comportamiento de la sección de columna 50x50 cm con carga axial

Pu= -77.04 t, edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3………...164

Tabla 6.8 Muestra las propiedades inelásticas de los extremos de las columnas 50x50

del edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3………...166

Tabla 6.9 Puntos del momento curvatura idealizado columna esquinera primer piso

Tabla 6.10 Patrón de carga para el edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3……….170

Tabla 6.11 Parámetros de la información modal del edificio K5-1-3……….186

Tabla 6.12 Verificación de las distorsiones de entrepiso del punto de desempeño,

edificio de tres pisos: Modelo K3-1-3 (altura del primer piso tres metros)…….190

edificio de tres pisos: Modelo K3-1-5 (altura del primer piso cinco metros)…..190

edificio de tres pisos: Modelo K3-1-7 (altura del primer piso siete metros)…...190

Tabla 6.15 Verificación de las distorsiones de entrepiso del punto de desempeño, edificio

de tres pisos: Modelo K3-1-9 (altura del primer piso nueve metros)…………..190

Tabla 6.16 Valores de las distorsiones de cada nivel obtenidos del análisis no lineal

estático pushover, edificio de tres pisos y la distorsión límite del nivel de

desempeño según visión 2000………..191

Tabla 6.17 Evaluación del punto de desempeño, edificio de tres pisos: Modelo K3-1-Z…..192

edificio de cinco pisos: Modelo K5-1-3 (altura del primer piso tres metros)…..193

de cinco pisos: Modelo K5-1-5 (altura del primer piso cinco metros)………….193

edificio de cinco pisos: Modelo K5-1-7 (altura del primer piso siete metros)….194

de cinco pisos: Modelo K5-1-9 (altura del primer piso nueve metros)………….194

(26)

xxiv

de desempeño según visión 2000……….195

Tabla 6.23 Evaluación del punto de desempeño, edificio de cinco pisos: Modelo K5-1-Z...195

edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-3 (altura del primer piso tres metros)….197

de nueve pisos: Modelo K9-1-5 (altura del primer piso cinco metros)…………197

de nueve pisos: Modelo K9-1-7 (altura del primer piso siete metros)………….198

de nueve pisos: Modelo K9-1-9 (altura del primer piso nueve metros)…….….198

estático pushover, edificio de nueve pisos y la distorsión límite del nivel

de desempeño según visión 2000……….199

Tabla 6.29 Evaluación del punto de desempeño, edificio de nueve pisos: Modelo K9-1-Z..200

de quince pisos: Modelo K15-1-3 (altura del primer piso tres metros)………...201

de quince pisos: Modelo K15-1-5 (altura del primer piso cinco metros)………202

de quince pisos: Modelo K15-1-7 (altura del primer piso siete metros)………...202

de quince pisos: Modelo K15-1-9 (altura del primer piso nueve metros)………203

estático pushover, edificio de quince pisos y la distorsión límite del nivel

de desempeño según visión 2000……… 204

Tabla 6.35 Evaluación del punto de desempeño, edificio de quince pisos:

Modelo K15-1-Z………..………204

Tabla 6.36 Comparativo de la distorsión máxima de entrepiso con el límite de nivel

de desempeño según criterio de Visión 2000………209

Tabla 6.37 Ductilidad por desplazamiento de los edificios de tres, cinco, nueve y quince

(27)

xxv

Tabla 6.38 Comparativo de desplazamiento en el techo y distorsión global calculados a

partir del análisis lineal y no lineal estático de los edificios de tres, cinco,

nueve y quince pisos………213

Tabla 6.39 Comparativo de la máxima distorsión de entrepiso calculados a partir del

análisis lineal y no lineal estático de los edificios de tres, cinco, nueve y

(28)

CAPÍTULO I. GENERALIDADES Jorge Janampa Ochoa

1

CAPÍTULO I

GENERALIDADES

1.1.-Antecedentes

Las observaciones realizadas en los edificios dañados y colapsados (Mehmet, 2010)*

después de los terremotos y los avances tecnológicos en la ingeniería estructural y las

herramientas de cómputo hacen posible evaluar el comportamiento inelástico de las

estructuras de los edificios, las propiedades del material, errores debido a las

irregularidades, el motivo de cada error y la información requerida en la modelización

numérica de proyectos futuros de estructuras.

Las demandas de desplazamientos y ductilidad sobre la estructura de un edificio durante un

terremoto pueden empujar su comportamiento más allá del rango elástico. Si estas

demandas no son satisfechas en el diseño de la estructura, el colapso local o progresivo es

inevitable en un terremoto destructivo.

La irregularidad en la configuración es uno de los factores que se incluyen actualmente en

la mayoría de las normas sísmicas para definir el procedimiento de análisis que se aplicará

en el diseño sismorresistente de los edificios. Las normas establecen dos categorías de

irregularidades: en planta y en elevación. Entre los tipos de irregularidad en elevación se

ha establecido: Piso blando (distribución irregular de la rigidez), son sin duda las

estructuras más vulnerables a los terremotos.

En los años recientes, se ha entendido claramente que el análisis elástico no representa

exactamente el comportamiento inelástico (post-elástico) de las estructuras de los edificios.

Debido a esto, el comportamiento inelástico de tales estructuras ha sido un tema de muchos

estudios de investigación. Para determinar el comportamiento post-elástico de una

estructura de edificio, el análisis no lineal tiempo historia ha sido aceptado como el método

más adecuado para obtener predicciones precisas y confiables sobre el comportamiento

real de la estructura; sin embargo, debido a las restricciones de modelado e interpretación

de resultados, este tipo de análisis se considera que es muy poco práctico.

Por eso se propone un gran número de procedimientos de análisis simplificados. El

análisis no lineal estático pushover, que también se utiliza ampliamente en este estudio, ha

_________________________________

(29)

2 sido el método simplificado más comúnmente utilizado y eficaz para la determinación de

las demandas sísmicas debido a su uso práctico.

El problema del diseño sismorresistente es único en muchos aspectos; un gran sismo

produce fuerzas de inercia que algunas veces son muy superiores a la resistencia de diseño

de la estructura. Esta combinación de condiciones hace que el diseño esté orientado a

evitar el colapso frágil de una estructura, aún para el caso de sismo más fuerte, pero

aceptando la posibilidad de daños estructurales sobre la base de que es más económico

reparar o reemplazar las estructuras dañadas por un gran sismo que construir todas las

estructuras suficientemente fuertes para evitar daños. Este concepto de diseño presenta un

reto al ingeniero estructural: como diseñar una estructura económica, que sea susceptible

de dañarse en un gran terremoto, pero cuyo colapso esté controlado de manera de evitar

pérdidas de vidas.

El cuidado tanto en la configuración estructural, diseño y detallado como en la

construcción, son fundamentales para obtener una estructura sismorresistente apropiada.

El problema de la planta baja tipo piso blando fue identificado y denominado tiempo atrás

en el año 1932: Freeman (1932) reportó los daños sufridos por un edificio con piso blando

en la planta baja en el sismo de 1925 en Santa Bárbara, California (Navarro, 2010). El 29

de Julio de 1967, hubo un temblor en Caracas, Venezuela, que fue documentado por

Hanson y Degenkolb (1975), quienes realizaron un reporte de los daños severos en

estructuras de concreto reforzado con varios niveles; en ese reporte, destacaron un edificio

en particular, el Hotel Carrillo, en el cual sus altas columnas en la planta baja formaron un

soporte semiflexible de los pisos superiores, los cuales sufrieron poco daño mientras que

en la planta baja sus muros, pisos y columnas fueron destruidos.

Un año después del sismo del 19 de septiembre de 1985 en la ciudad de México se realizó

una conferencia sobre el tema, en donde Borja (1987) expuso una estadística de daños

producidos por el sismo, en la cual se reportaron 757 edificaciones que representaban en la

época 1.4% del total de inmuebles en la ciudad con daños que variaron de parcial, severo

o colapso total. De estos, 133 edificios colapsaron totalmente, otros 353 tuvieron colapso

parcial y 271 quedaron severamente dañados. Señaló que la causa de algunos de estos

colapsos fue llamada “piso blando en planta baja”, causado por la discontinuidad de los

muros de corte de las plantas superiores hasta el nivel de cimentación.

(30)

3 colapso de 330 edificios durante el terremoto de México de Septiembre 1985, de los cuales

el 8% se debió a la planta baja piso blando; y señaló que muchos edificios fallaron por

significativas irregularidades en la distribución de resistencias y rigideces. Sobresaliendo

los casos de edificios de planta baja débil o con grandes excentricidades torsionales

(Navarro, 2010).

1.2.-Planteamiento del Problema

Una condición fundamental para asegurar el correcto trabajo de las edificaciones

(Fernández, 2007) es mantener cierta regularidad del sistema estructural tanto en planta

como en elevación. Problemas tales como el colapso total debido a la falla de uno de los

entrepisos, concentración de esfuerzos en elementos perimetrales, deficiente desempeño de

columnas debido a la presencia de efectos de segundo orden (P-Δ), entre otros, son

producto de la irregularidad estructural.

Uno de los problemas estructurales más comunes y peligrosos es el llamado piso blando.

Este problema se presenta cuando el entrepiso de un edificio cuenta con una rigidez lateral

considerablemente menor en relación con los niveles adyacentes.

El piso blando puede presentarse en cualquier nivel del edificio. En la Figura 1.1 aparece

un edificio irregular por piso blando en el primer piso, muestra una disminución de rigidez

que es debida a la ausencia de elementos resistentes verticales en el primer piso tales como

muros existentes en los pisos superiores.

Utilizar este piso blando en el primer nivel es una práctica muy común entre los arquitectos

por falta de conocimiento, debido a la necesidad de espacios amplios, que puedan ser

utilizados como estacionamientos, locales comerciales, recepciones, etc. La posibilidad de

tener lugares que puedan ser dispuestos de manera fácil y efectiva es muy atractiva para

ellos.

(31)

4 Es por esto que el fenómeno del piso blando debe estudiarse con mayor cuidado, para

establecer lineamientos reglamentarios que consideren el efecto de manera más adecuada.

Durante los terremotos ocurridos en el continente americano (Sebastián, 2013),como en El

Salvador 1986, en Cariaco (Venezuela) 1997, en Eje Cafetero Colombia 1999, en Loma

Prieta 1989, Haití 2010, Chile 2010 los investigadores encontraron las mismas fallas en los

edificios, las que llevaron incluso al colapso de las edificaciones. Las fallas que se

presentaron durante los eventos sísmicos mencionados anteriormente fue la irregularidad

en elevación lo que provocó el piso blando, la columna corta entre las más importantes, los

edificios que sufrieron el efecto de piso blando fueron aquellos en los que su primer piso

estaba destinado para estacionamientos o locales comerciales y los pisos superiores fueron

destinados a viviendas. Esto produjo que la rigidez lateral del primer piso sea menor

rigidez que las plantas superiores y por ende condujeron a la estructura a fallar en el primer

piso. El problema de columna corta se presentó en aquellos que tenían mampostería

adosada a las columnas hasta cierta altura; en el momento del sismo la columna corta

atrajo una fuerza sísmica mayor a la del diseño y producto de esto las columnas fallaron.

La norma E.030 no indica además otro parámetro de control sobre los límites al aumentar

el refuerzo en las vigas que podrían conducir a un piso blando en una edificación; todo esto

constituye un problema. En el presente trabajo se pretende dar lineamientos que indiquen

de manera razonable estos parámetros que pueden ser usados como complemento a la

norma, en tal sentido esta tesis se orienta a aportar el estudio de nuevos parámetros que

puedan ayudar a detectar el fenómeno de piso blando.

1.3.-Justificación

Una de las más grandes causas de daño o problemas en las edificaciones ha sido el uso de

configuraciones arquitectónicas y estructurales inapropiadas. Dada la naturaleza de los

sismos, los niveles de diseño se pueden exceder, por lo que es aconsejable evitar el uso de

configuraciones riesgosas.

Se sabe que las edificaciones de concreto armado construidas hace más de dos o tres

décadas son vulnerables a la acción de los sismos porque responden al nivel de

conocimientos existentes en esa época y a la calidad de los materiales que estaban

disponibles, pero esas construcciones son la mayoria de las que existen en las grandes

ciudades y por lo tanto es urgente hacer estudios para verificar el desempeño ante

(32)

5 A las pérdidas anotadas se debe añadir las pérdidas debidas a la interrupción de la

actividad económica y de los servicios que en ellas se ofrecen, de tal forma que el malestar

que generan en la comunidad es muy grande.

El objetivo de esta investigación es ayudar a minimizar esas pérdidas mediante la

aportación de conocimientos y experiencias para que sean acogidos por los profesionales

de la Ingeniería Civil y las pongan en práctica en las construcciones existentes que

necesitan ser reforzadas y en las nuevas construcciones que están diseñando.

Muchos errores de ingeniería que ocasionan daños graves o colapso, se originan como

fallas de configuración. Las primeras ideas del proyectista sobre la configuración son muy

importantes, ya que es una etapa conceptual y tal vez antes de que se discutan los aspectos

de ingeniería, el proyectista está tomando decisiones de gran importancia para los análisis

posteriores y el diseño en detalles de ingeniería. Es importante que el proyectista conozca

las variables que intervienen en la configuración estructural es decir la localización y

distribución que se le va a dar a los elementos resistentes de una estructura tales como

vigas, columnas, muros, losas, núcleos de escaleras entre otros que intervienen en una

edificación la cual juega un papel importante al momento de un sismo, estoayudará a tener

buenos criterios en esta primera etapa.

1.4.-Hipótesis

Los límites de irregularidad por piso blando para la seguridad de edificios indicado en la

Norma E.030 son demasiado conservadores respecto al desempeño de los elementos

estructurales de un entrepiso ante un mecanismo de colapso, se espera confirmar el límite

de irregularidad en piso blando mediante un índice que sea función de la altura de

entrepiso y el nivel de daño de la estructura.

1.5.-Objetivos

1.5.1.-Objetivos Generales

1. Estudiar la Influencia de la configuración estructural en el comportamiento sísmico de

edificaciones aporticadas, enfocándose en la irregularidad de rigidez por piso blando.

1.5.2.-Objetivos Específicos

1. Determinar el nivel de distorsión para el cual se produce piso blando.

(33)

6 países.

3. Determinar y proponer límites para algunos grados de irregularidad a estudiar del

edificio

4. Idealizar estructuralmente edificaciones con diferentes condiciones de irregularidad.

5. Estudiar los parámetros fundamentales que intervienen en la configuración estructural

por piso blando.

6. Determinar la relación de rigidez y refuerzo que produce el piso blando.

1.6.- Metodología

La configuración estructural está planteada por varias estructuras de concreto armado

aporticado, los modelos se dividieron en cuatro grupos: Modelos de tres, cinco, nueve y

quince pisos; con dos vanos en ambas direcciones. La luz de los vanos es de cinco metros,

la altura típica es tres metros y la altura del primer piso varía desde tres hasta nueve

metros.

Con fines de comparación, se desarrolló un modelo patrón de tipología regular, tanto en

planta como en elevación, tales modelos patrón se explicará en la sección 4.1.2

Características de los modelos estructurales; y los casos que representan las estructuras

irregulares se definieron mediante la modificación de la distribución vertical de la rigidez,

incrementando la altura del primer piso del modelo patrón hasta identificar los elementos

estructurales más débiles que fallen primero y que se produzca el mecanismo de falla. Por

lo tanto esto sirvió para limitarlos y denominarlos como una estructura irregular por piso

blando.

El análisis sísmico que se plantea para todos los modelos es del tipo dinámico

tridimensional, según la norma sismorresistente peruana E.030, con el método del espectro

de respuesta. Para la estimación de los desplazamientos laterales se empleó la combinación

cuadrática completa (CQC). Los mismos fueron previamente diseñados según las normas

del Reglamento Nacional de Edificaciones del Perú, E.060.

Para el análisis no lineal se utilizó el método estático no lineal pushover para evaluar e

identificar los elementos estructurales que fallen primero de acuerdo a los parámetros de

irregularidad. Para el comportamiento inelástico de los elementos que experimentan

comportamiento no lineal como vigas y columnas se usó la propuesta de Restrepo (2010).

Como herramienta de análisis se utilizó el programa Sap2000 CSI, Computers &

(34)

7 Con los resultados obtenidos de estas evaluaciones se identificaron nuevos parámetros de

irregularidad que puedan complementar los límites de la actual norma peruana E.030.

Finalmente, se elaboraron las conclusiones de este trabajo y se formularon las

recomendaciones que permitan mejorar la configuración estructural por piso blando en el

comportamiento sísmico de los edificios.

1.6.-Estado del Arte

De acuerdo a los investigadores “…si una estructura tiene una porción mucho más flexible

debajo de una porción rígida, la mayoría de la absorción de energía se concentra en la

porción flexible y muy poca es absorbida en la porción superior más rígida…” (Hanson,

1975). Esto quiere decir que si existe una zona de debilidad en la ruta de transmisión de la

fuerzas, o si hay un repentino cambio de rigidez, hay una zona de peligro. Aun cuando la

estructura permanezca elástica la respuesta cambiará considerablemente y la distribución

de las fuerzas laterales a través de la altura de la estructura puede variar substancialmente

de la supuesta distribución triangular. Esta situación se agrava aún más cuando comienza a

deformarse inelásticamente (Navarro, 2010).

Bazán y Meli (2004), señalan que la sencillez, regularidad y simetría son deseables en la

elevación del edificio; la configuración de los elementos estructurales debe permitir un

flujo continuo, regular y eficiente de las fuerzas sísmicas desde el lugar en que estas se

generan (o sea, donde haya una masa o inercia que produzca fuerzas laterales) hasta el

terreno. También comentaron que el siguiente aspecto que hay que cuidar es la continuidad

en elevación del sistema estructural.

Con el fin de evaluar las estructuras irregulares Al-Ali y Krawinkler (1998) investigaron,

un caso base que definen, y los casos irregulares se crean mediante la modificación del

caso base. Las vigas se suponen que son rígidas y de resistencia infinita. La resistencia de

columna está definida de manera que bajo el patrón de carga de diseño se forman rótulas

plásticas simultáneamente en todos los extremos de las columnas. La no linealidad

geométrica (efectos P-Δ) no se considera explícitamente en los análisis.

A fin de eliminar los efectos de las variaciones en el período de vibración de respuesta,

todas las estructuras fueron definidas para tener el mismo primer período de vibración, que

es igual a 3s. Los casos con irregularidades de rigidez fueron creados mediante el cambio

de la distribución de la rigidez del caso base y manteniendo la misma distribución de la

(35)

8 Al-Ali y Krawinkler (1998), sus objetivos fueron mejorar la comprensión del

comportamiento de las estructuras con irregularidades verticales y cuantificar los efectos

de las irregularidades de la masa, la rigidez y la resistencia de las demandas sísmicas. Un

procedimiento para la estimación de las demandas de deformación lateral (derivas de techo

y derivas de pisos) de estructuras irregulares también fue desarrollado.

Desarrollaron por separado los efectos de las irregularidades de masa, rigidez y resistencia.

Además, fueron desarrollados los efectos de la combinación de dos irregularidades:

Irregularidad de rigidez y resistencia e irregularidad de rigidez y masa. Fueron evaluados

por medio de los análisis dinámicos elásticos e inelásticos.

Indicaron algunas de las conclusiones en general, que los efectos de las irregularidades de

rigidez en la respuesta inelástica de las estructuras son más perjudiciales que los efectos de

las irregularidades de masa (Al-Ali y Krawinkler, 1998).

Chintanapakdee y Chopra (2004) compararon la demanda sísmica de los marcos verticales

irregulares y regulares de 12 pisos de altura, determinada por el análisis no lineal tiempo

historia utilizando un conjunto de 15 registros de sismos. Para este estudio, una estructura

de caso base, modelada como un modelo de viga articulada, fue diseñado de modo que la

distribución de la rigidez en la altura de la estructura produzca la igualdad de las derivas en

todos los pisos de acuerdo al Código Internacional de Construcción (IBC, 2000). El

período fundamental objetivo se fijó en 2.4s. Numerosos marcos irregulares se obtuvieron

mediante la modificación de la rigidez del caso base. Las irregularidades fueron

introducidas en el primer nivel, o en el nivel de la parte central de la altura total de la

estructura, o en el nivel más alto, o en todos los niveles de la mitad inferior de la

estructura. Casos irregulares de rigidez se obtuvieron mediante la modificación de la

rigidez del piso irregular elegido y ajustando la distribución de la rigidez hasta lograr el

periodo fundamental de 2.4 s (Sadashiva et al., 2009).

Aunque la mayoría de los métodos y los resultados fueron consistentes entre los

investigadores, los trabajos no justificaron claramente los límites de irregularidad en los

códigos actuales. Como se ha señalado por los autores en el estudio sobre los efectos de

irregularidades verticales de masa (Sadashiva et al., 2009), estructuras regulares e

irregulares deben ser diseñados para el mismo parámetro en lugar de centrarse en lograr un

periodo de vibración de referencia. Además, se requiere un estudio riguroso de las

(36)

9 están diseñados de acuerdo con el código de Nueva Zelanda (2004), (Sadashiva et al.,

2009).

Sadashiva et al. (2009), mencionaron que una estructura que se denomina como "irregular"

si tiene una distribución no uniforme de las propiedades estructurales, ya sea

individualmente o en combinación, en cualquiera de los ejes de la estructura, y por el

contrario, una estructura se dice que es "regular" si tiene propiedades estructurales

uniformes en todas las direcciones, como se muestra en la Figura 1.2 (a).

La irregularidad vertical de rigidez y resistencia, que es el foco de ese trabajo, se produce

debido a numerosas razones. Algunas de las causas comunes que llevan a este tipo de

irregularidades en edificios se deben a:

Diferencia de altura de entrepiso en un nivel en particular en comparación con el nivel

adyacente, como se muestra en la Figura 1.2 (b);

Modificación de propiedades de los elementos, tamaños del elemento, el material, en un

nivel de piso, como se muestra en la Figura 1.2 (c);

Figura 1.2. Ejemplos de irregularidades verticales rigidez – resistencia (Sadashiva et al. ,2009) Propiedades estructurales

uniformes en todas las

direcciones _Diferente

altura de entrepiso

Diferencia en el material del elemento

Terminación de la columna.

Ningún material de relleno. a.- Estructura "Regular" con

propiedades estructural uniformes en todas las direcciones.

(d) La falta de material de relleno a nivel del piso.

b.- Altura del piso excesivo en un nivel de piso particular.

(37)

10 Discontinuidades verticales de los elementos estructurales en un nivel, como se muestra en

la Figura 1.2 (c), o la falta de material de relleno o pisos abiertos en un nivel de piso, como

se muestra en la Figura 1.2 (d).

Sadashiva et al., (2009)comentaron que para diseñar estructuras irregulares no se permite

utilizar el método estático equivalente y encontraron que el grupo de estructuras que tienen

sólo la irregularidad de rigidez de piso modificada debido a un cambio en la altura de

entrepiso produce los efectos máximos sobre la deriva en comparación de los otros casos

de irregularidad.

1.6.-Organización de la Tesis

El desarrollo de la presente tesis se describe en siete capítulos, los cuales se resumen a

continuación:

En el capítulo I se desarrolla los antecedentes, planteamiento del problema, la hipótesis,

objetivos de la tesis, metodología del trabajo, un breve estado de arte sobre el tema de piso

blando.

En el capítulo II se describe los problemas de configuración estructural y algunos

conceptos básicos para comprender algunas características estructurales que influyen en el

comportamiento sísmico.

El capítulo III explica la importancia de la configuración por piso blando, los efectos de las

irregularidades de rigidez; se revisaron varios códigos para precisar cómo se define la irregularidad vertical por piso blando y se presenta un resumen de las especificaciones de estos códigos

El capítulo IV presenta una descripción de los edificios por analizar, un resumen de los

modelos estructurales, se realizó un análisis lineal y el diseño de concreto armado de los

edificios propuestos.

El capítulo V presenta una breve descripción de los procedimientos analíticos no lineales

para evaluar el desempeño del edificio en estudio, con el método de análisis no lineal

estático pushover, usando el método de espectro de capacidad.

En el capítulo VI se realizó un análisis no lineal utilizando el programa Sap2000

(Computers & Structures Inc., 2013), muestra y se discute los resultados del análisis no

lineal estático pushover para ambas direcciones de los edificios X-Y, con los gráficos

correspondientes precisando los parámetros para determinar un edificio como piso blando.